新能源材料-顾浩精典课件.ppt

新能源材料 顾浩 2007.12 2.1太阳能简介 太阳能利用途径：①热利用②光利用 太阳能优点：①取之不竭②分布广阔③对环境无污染 太阳能缺点：①强度弱②不连续性③不稳定性 二、太阳能中新材料的运用 2.2光电效应 光子：没有质量含有能量的微粒子 紫光子4eV 红光子1.7eV 电子：高电位流向低电位，高电位处有电能 光电效应：光子把能量传给物体中的电子，使电子跃至高电位，存储电能 2.3太阳能电池 典型太阳能电池本质上是大面积半导体二极管，太阳光照射到太阳能电池上，能量大于禁带宽度的光子能把价带中电子激发到导带上去形成自由电子，价带中留下带正电的自由空穴（电子-空穴对），即光生载流子 2.4制作太阳能电池的材料 晶硅电池、非晶硅电池、铜铟硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池、砷化镓薄膜电池 2.4.1晶体硅太阳能电池 1、硅的物理性质 硅 ①无定形 ②晶体形 单晶硅、多晶硅 导电性：晶体中只有导带中的电子和价带顶部空穴才参与导电（能带理论） 晶体硅室温状态下电阻率为2.3x10^5 Ω·cm 杂质对半导体导电性能影响很大 四价硅单晶中掺入五价原子（P）为N型半导体 三价原子（B）为P型半导体 2、太阳能电池（晶体硅电池为主）技术发展 ①背表面场（BSF）电池：在电池背面接触区引入同型重掺杂区，使电池开路电压、短路电流和填充因子得到改进（斯坦福大学） ②紫光电池：起先为通讯卫星开发，结浅、密栅、减反射而获得高效率 ③表面织构化电池（绒面电池）：起先也为通讯卫星开发，电池效率大于18% ④异质结太阳能电池：不同半导体材料形成太阳能电池，SnO2/Si，In2O3/Si，ITO/Si。SnO2，In2O3，ITO（ SnO2+In2O3）带隙宽、透光性好、制作工艺简单，但效率不高，多用作薄膜电池的收集电流和窗口材料 钝化发射区和背面局域化电池（PERL） 前接触电极有大的厚/宽和小接触面积，背面铝合金接触用点接触，氧化层钝化电池的正、背面，采用表面织构化、双层减反射和背反射技术增强电池陷光效应。效率高达24.7%接近理论值 日本Sanyo公司HIT电池 采用PECVD工艺在n型单晶硅片的上下面沉积非晶硅层，构成异质结电池。集中非晶硅和单晶硅电池的优点，大面积上获得接近21%的高效率 3、单晶硅太阳能电池 ①高纯单晶硅棒（纯度99.999%），地面用的太阳能电池采用太阳能级单晶硅棒，材料性能指标放宽，成本降低 ②硅锭的投炉料（半导体工业次品硅及单晶硅的头尾料）经单晶炉的复拉，生产出太阳能级单晶硅 ③单晶硅的制备工艺 石英或沙子（SiO2） C还原 电弧炉 冶金级硅 HCl 硫化床 SiHCl3、H2、氯化物 精馏 高纯SiHCl3 电子级多晶硅锭 CVD法 单晶硅 生长 生长单晶硅的方法直拉法和悬浮区熔法 直拉法（CZ）：直拉单晶炉内，控制热场，从装有熔硅的坩埚中，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶按籽晶晶向长大。石英坩埚不可避免引入氧，氧沉淀物是复合中心，降低材料寿命。此法可生长出直径为12英寸及以上的单晶硅，直径6英寸的单晶硅太阳能电池已工业化生产。 悬浮区熔法（FZ）：将区熔提纯和制备单晶结合在一起，可生长出高纯无缺陷单晶。但采用内圆切割法可将单晶锭切成硅片，50%硅材料损耗，多线切割工艺，损耗降低至30%，降低成本 ④单晶硅电池的单体片的制备 单晶硅棒 切片 0.3mm硅片 成形 抛光 清洗 原料硅片 扩散 pn结 栅线 银浆 背电极 烧结 掺杂 丝网印刷 硅电池单体片 涂覆减反射膜 ⑤单晶硅电池的缺点 ⑴消耗大量高纯硅材料，材料工艺复杂，电耗大 ⑵拉制单晶硅棒为圆柱状，切片后也为圆形，组 成太阳能组件平面利用率低 4、多晶硅太阳能电池 ①优点：⑴直接制出方型硅锭⑵设备简单，工业化规模生产⑶省材质⑷电耗小⑸较低纯度投炉料 ②缺点：效率比单晶硅太阳能电池低 ③铸锭工艺有⑴定向凝固法⑵浇铸法 多晶硅在生长过程中会产生位错。位错的悬挂键，电活性大，是少数载流子复合中心。且金属杂质、氧、碳等也在位错上聚集，亦会形成复合中心，电学性能不均匀，位错会降低少数载流子的寿命。